材料是人類社會進步的基石。從石器時代發(fā)展到以鋼鐵為代表的工業(yè)時代，以及如今以硅等半導體材料及器件為代表的信息時代，歷史的演進無不伴隨著材料領域的進展和突破，關鍵新材料的出現與應用往往是推動新技術革命的直接動力。隨著經濟社會的發(fā)展，新材料推動了人工智能、新能源汽車、高端裝備、生物醫(yī)藥等新興領域的快速發(fā)展，并促進著相關行業(yè)的快速迭代與進步，顯著提升了人們的物質生活水平。鑒于新材料的重要戰(zhàn)略作用，世界各國不約而同將新材料作為其主要的發(fā)展目標。
▲ 世界各國的新材料發(fā)展規(guī)劃
新材料發(fā)展的特點
計算機科學與實驗相結合，加速新材料的開發(fā)速度。傳統材料的研發(fā)與改進主要基于經驗和實驗的積累，以及大量重復性的“試錯法”實驗，工作量大且耗時長，新材料更新迭代速度較慢。統計顯示，傳統材料從開發(fā)到工業(yè)化應用一般需要20～30 年之久。面對新材料產業(yè)競爭日益激烈的現狀，縮短新材料的研發(fā)周期成為當務之急。隨著計算機科學與大數據的應用，通過建立材料結構和性能的預測模型，對新材料進行設計并通過實驗結果對理論模型進行修正，能夠大幅度縮短新材料的研發(fā)周期。此外，基于實驗數據和高通量理論計算結果，建立材料數據庫系統，能夠為新材料的設計提供理論和實驗依據。
新材料發(fā)展與其他學科深度融合。結合先進的材料制備手段，如磁控濺射、分子束外延沉積以及3D/4D 打印等技術，不同結構和功能新材料的研發(fā)速度大幅加快。另一方面，新型二維材料如石墨烯、石墨炔、二硫化鉬、黑磷、硅烯等新材料的發(fā)現，使人們對未知世界的認識和理解進一步加深。簡而言之，新材料的出現促進了物理、化學、生物等學科的發(fā)展與進步，而相關學科的發(fā)展與技術進步也加速了新材料的研發(fā)進程。
新材料的發(fā)展更加注重節(jié)能環(huán)保。能源危機、環(huán)境污染等問題對人類的可持續(xù)發(fā)展構成了嚴重威脅，因此，新材料的開發(fā)越來越重視節(jié)能環(huán)保。例如，通過采用四氟乙烷等取代傳統氟利昂制冷劑，使用發(fā)光二極管(LED)節(jié)能燈，開發(fā)和應用節(jié)能建筑材料如利用綠色保溫材料作為建筑外墻等。此外，對材料研發(fā)和應用過程進行全生命周期的監(jiān)測和評估，提高材料的利用效率，也成為重要發(fā)展趨勢。
金產學研用合作成為新材料研發(fā)的重要方向。新材料的發(fā)展不僅需要基礎科學的研究，同時需要結合市場的需求。此外，政策和資金的支持也是新材料發(fā)展不可或缺的一部分。因此，為實現新材料的創(chuàng)新發(fā)展，加強金產學研用合作，結合科研機構和大學、金融機構、創(chuàng)新企業(yè)以及政府多方的優(yōu)勢，推動新材料產業(yè)全面發(fā)展，是加速新材料研發(fā)及產業(yè)應用的重要途徑。
作為材料大國，我國目前雖然具有較為完善的材料制造產業(yè)，但關鍵新材料的研究、開發(fā)與應用還明顯落后于發(fā)達國家，導致在多個領域受制于人。幾年前《科技日報》 列舉了制約我國工業(yè)發(fā)展的35 項“卡脖子”技術，其中27 項與材料密切相關，充分顯示我國對新材料領域發(fā)展的迫切需求和面臨的巨大挑戰(zhàn)。為振興新材料產業(yè)，2016 年我國工信部發(fā)布了《新材料產業(yè)發(fā)展指南》，明確指出要重點發(fā)展先進基礎材料、關鍵戰(zhàn)略材料和前沿新材料，以提升我國新材料的自主創(chuàng)新研發(fā)能力，實現從材料制造大國向材料研發(fā)強國邁進。近年來，我國材料科學研究成果顯著，如高溫超導材料、石墨烯、納米材料、光學晶體等。然而，在競爭日益激烈的國際形勢下，實現新材料領域的突破，并通過成果轉化與應用助力我國關鍵產業(yè)的發(fā)展，具有重要戰(zhàn)略意義。
▲ 《科技日報》列出的與材料相關的“卡脖子”技術清單
另一方面，社會快速發(fā)展和人類物質文明高度發(fā)達的同時，能源和環(huán)境等問題也愈發(fā)突出。隨著能源需求的增加，煤、石油、天然氣等化石燃料的消耗與日俱增。然而，化石燃料資源有限，快速、持續(xù)、大量的消耗導致化石燃料面臨枯竭的嚴峻形勢。與此同時，化石燃料消耗所排放的二氧化碳等溫室氣體導致溫室效應、極端天氣等氣候問題，對人類社會的可持續(xù)發(fā)展造成嚴重威脅。為應對上述全球性的問題，世界各國紛紛采取行動。早在1992 年，聯合國促成了《聯合國氣候變化框架公約》以應對氣候變化，此后世界各國又相繼簽訂了《京都議定書》(1997 年)、《哥本哈根協議》(2009 年)、《巴黎協定》(2015 年)等，旨在通過節(jié)能減排、發(fā)展清潔能源等手段，以最終實現碳排放與碳吸收的平衡，即碳中和發(fā)展目標。
實現碳達峰、碳中和的戰(zhàn)略目標是以習近平同志為核心的黨中央統籌國內國際兩個大局后做出的重大戰(zhàn)略決策，是解決我國當前所面臨的資源環(huán)境約束突出問題、實現綠色可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，這一戰(zhàn)略目標也是構建人類命運共同體的莊嚴承諾，體現了我國攜手世界各國一道積極應對全球能源短缺與氣候變化這一艱巨挑戰(zhàn)的堅定決心，彰顯了我國作為大國的責任與擔當。
作為能源消費大國，中國積極參與并大力推動碳中和。雖然愿景美好，但實現碳中和目標卻任重道遠。截至2019 年，化石燃料在我國一次能源消費結構中占比仍高達85%，且我國石油資源對外依存度達到70%以上，原油進口超過5.0 億噸/年，其中80%依賴海運，國家能源安全面臨著巨大壓力。
▲ 2019 年我國能源消費結構
因此，為保障我國能源安全、實現碳中和，亟待大力發(fā)展清潔能源科學與技術，實現能源的高效生產與利用。我認為要實現碳達峰、碳中和的目標，就要求我們努力實現“五化”，即能源生產低碳化、能源使用電氣化、工業(yè)過程氫能化、能源網絡智能化、二氧化碳資源化。作為能源高效生產與利用的關鍵和重要組成部分，新材料的發(fā)展與應用在實現碳達峰、碳中和的進程中將起到至關重要的作用。此外，科普宣傳、科技創(chuàng)新、政策保障、全民意識同樣是當務之急。
基于作者在新材料和新能源領域多年的研究與思考，《新材料與碳中和》（成會明，唐永炳，歐學武著．北京：科學出版社，2022.7）旨在向讀者介紹新材料的重要性，并探討新材料在碳中和實踐中的重要支撐作用。本書定位為新材料與碳中和相關的通識性科學著作，主要面向對新材料與碳中和感興趣的廣大讀者，回顧了材料的發(fā)展歷程，闡述了材料與人類社會發(fā)展的密切關系；論述了新材料的戰(zhàn)略地位以及世界各國的發(fā)展戰(zhàn)略；針對能源與環(huán)境危機，介紹了世界多國和地區(qū)的碳中和發(fā)展目標，并重點探討了現階段我國實現碳達峰、碳中和所面臨的挑戰(zhàn)及新材料在清潔能源發(fā)展中的關鍵支撐作用；最后展望了實現碳中和的愿景。
材料科學已創(chuàng)造了眾多奇跡，我相信在實現碳達峰、碳中和的進程中，材料科學仍將創(chuàng)造奇跡。碳達峰、碳中和不僅是中國的目標，也是全世界的目標，實現碳達峰、碳中和任重而道遠。我衷心希望有更多的科學家、工程師、企業(yè)家、公務員、教師、學生和公民都關注新材料，關注碳達峰、碳中和，并加入到實現碳達峰、碳中和目標的行動中，共同推動人類文明的進步！
文章轉載：DT新材料